Uranio: o Atomo Radiativo que Gerencia a Energia Nuclear, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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Energia Nuclear | Capítulo 8

Energia Nuclear

Parte III

Fontes não-renováveis

Capítulo 8 | Energia Nuclear

Box 8

O ciclo do combustível

nuclear

O valor do minério urânio está na característica do átomo que o compõe: o átomo de urânio (U), primeiro elemento químico da natureza em que se descobriu a capacidade de radiação (ou emissão e propagação da energia de um ponto a outro). Essa radiação, se descontrolada, pode provocar os acidentes nucleares. Se bem utilizada, é aplicada em ativida- des importantes e até mesmo vitais, como a medicina.

A maior aplicação do átomo de urânio é em usinas térmi- cas para a geração de energia elétrica – as chamadas usinas termonucleares. De uma maneira muito simplificada, neste caso o núcleo do átomo é submetido a um processo de fis- são (divisão) para gerar a energia. Se a energia é liberada lentamente, manifesta-se sob a forma de calor. Se é liberada rapidamente, manifesta-se como luz. Nas usinas termonu- cleares ela é liberada lentamente e aquece a água existente no interior dos reatores a fim de produzir o vapor que movi- menta as turbinas.

As usinas termonucleares são dotadas de uma estrutura cha- mada vaso de pressão, que contém a água de refrigeração do núcleo do reator (onde fica o combustível nuclear). Essa água, altamente radioativa, circula quente por um gerador de va- por, em circuito fechado, chamado de circuito primário. Esse circuito primário aquece uma outra corrente de água que passa pelo gerador (circuito secundário) e se transforma em vapor, acionando a turbina para a geração de energia elétrica. Os dois circuitos não têm comunicação entre si.

Pesquisadores buscam obter energia também a partir da fusão do núcleo de vários átomos. Até agora, porém, essa tecnologia não é usada em escala comercial.

O urânio extraído não chega à usina em estado puro. Pelo contrário: passa por um processo bastante complexo de processamento que, em resumo, pode ser dividido em três etapas principais. A primeira delas é a mineração e beneficia- mento, na qual o minério é extraído da natureza e enviado a uma unidade de beneficiamento, onde é purificado e con- centrado, dando origem a uma espécie de sal de cor amarela, conhecido como yellowcake e cuja fórmula química é U 3 O^8.^ Perfil esquemático de uma usina nuclear

A segunda etapa é a conversão. Nela, o yellowcake é dissol- vido, purificado e convertido para o estado gasoso (gás UF 6 ). A terceira fase, de enriquecimento, caracteriza-se pelo au- mento da concentração de átomos de urânio 235, dos natu- rais 0,7% para algo como 4%. O urânio 235 é o combustível das usinas nucleares. Para obter um quilo de produto são necessários cerca de oito quilos de yellowcake.

O processo completo de utilização do urânio, também cha- mado “ciclo do combustível nuclear”, abrange, ainda, a desti- nação do material utilizado. Há dois ciclos básicos: um aberto e um fechado. O primeiro envolve a deposição final do com- bustível utilizado. No segundo, o urânio residual e o plutô- nio produzidos voltam a ser utilizados na geração de energia, como óxido misto (MOx). Explicações detalhadas de todo o ciclo do urânio podem ser encontradas no site da World Nu- clear Association (www.world-nuclear.org) ou no site da In- dústrias Nucleares do Brasil (www.inb.gov.br).

Vapor

Turbina

Condensador

Bomba

Bomba

Bomba

água

Elemento de vaporGerador combustível

refrigeração do reatorBomba principal de

Vapor de pressão Barras decontrole

Reator

Vaso de contenção Torre de transmissão Pressurizador

Tanque de águade alimentação

Gerador

Circuito primário Circuito secundário Sistema de água de refrigeração

Capítulo 8 | Energia Nuclear

quase trinta anos, os novos investimentos foram praticamente paralisados e a produção de energia nuclear sofreu forte oposi- ção, principalmente por parte dos ambientalistas.

Além da ocorrência dos acidentes, outro fator que motivou a oposição às nucleares foi o fato de que o processo de fis- são do átomo de urânio é o mesmo que dá origem à bomba

Ainda assim, as usinas nucleares têm participação importante na matriz da energia elétrica. De acordo com as últimas es- tatísticas da IEA, em 2006 responderam por 14,8% da produ- ção total, conforme destacado na Tabela 8.1 a seguir. Como a energia nuclear é usada quase que exclusivamente para a

produção de energia elétrica, sua participação no ranking global de fontes de energia primária (que também considera outros usos da energia) é menor: 6,2% ou 727,94 milhões de toneladas equivalentes de petróleo (Mtep), segundo a IEA (Tabela 8.2 e Gráfico 8.2 a seguir).

Gráfico 8.2 Produção de energia elétrica e oferta de energia primária no mundo. Fonte: Adaptado de IEA, 2008.

O urânio figura como fonte primária da matriz energética mun- dial desde meados dos anos 60. Entre este período e o final dos anos 70, o mercado das usinas nucleares viveu um vigoroso ciclo de crescimento. A interrupção ocorreu em função de ele- mentos negativos que coincidiram no tempo: a ocorrência de dois acidentes (Three Mille Island e Chernobyl) e os elevados investimentos necessários à instalação de uma central. Durante

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40

Carvão Petróleo Gás Natural Nuclear Hidrelétrica Outras

%

Produção de energia elétrica Oferta de energia primária

Tabela 8.1 - Energia elétrica no mundo (2006) País % (^) TWh* Carvão 41,0 7.761, Petróleo 5,8 1.097, Gás Natural 20,1 3.804, Nuclear 14,8 2.801, Hidrelétrica 16,0 3.028, Outras 2,3 435, Total 100,0 18. (*) Um terawatt-hora equivale a um milhão de gigawatts-hora. Fonte: IEA, 2008.

Tabela 8.2 - Oferta de energia primária (2006) País % (^) Mtep* Carvão 26,0 3.052, Petróleo 34,4 4.038, Gás Natural 20,5 2.406, Nuclear 6,2 727, Hidrelétrica 2,2 258, Outras 10,7 1.256, Total 100,0 11.741, (*) Cada Mtep é aproximadamente igual a 12 terawatts-hora. Considerando que o rendimento de uma usina térmica é da ordem de 30%, são necessárias três vezes mais combustível para produzir a mesma energia gerada por uma hidrelétrica. Fonte: Adaptado de IEA, 2008.

Energia Nuclear | Capítulo 8

Atômica (AIEA, organização autônoma constituída em 1957 no âmbito das Nações Unidas) ampliou a sua esfera de atu- ação. Inicialmente se propunha a garantir o uso pacífico da energia nuclear e contribuir com as pesquisas científicas. Atu- almente, com 137 países-membros, passou a inspecionar e investigar suspeitas de violações do Tratado de Não-Prolifera- ção Nuclear das Nações Unidas.

O futuro da energia nuclear é difuso. A IEA projeta quatro cená- rios até 2025 (Gráfico 8.3 abaixo): referência, forte recuperação, fraca recuperação e Tratado de Kyoto. No mais otimista, de for- te recuperação, a potência instalada passaria dos 361,2 GW (gi- gawatts) existentes no início dos anos 2000 para 570,1 GW. No nuclear fraco, o mais pessimista, recuaria para 296,8 GW. Con- forme registra o estudo sobre geração termonuclear, do Plano Nacional de Energia 2030 produzido pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE), a configuração de qualquer um desses cená- rios dependerá de vários fatores. Entre eles: competitividade do custo de geração, disponibilidade de urânio, segurança no fornecimento de outros combustíveis e aceitação pela socieda- de da segurança das unidades nucleares.

Gráfico 8.3 Cenários IEA para energia nuclear no mundo. Fonte: EPE, 2006.

atômica. Assim, o país que domina a tecnologia de processa- mento e transformação do minério pode utilizá-la tanto para a produção de energia elétrica quanto para fins bélicos.

Nos últimos anos, porém, essa oposição tornou-se mais mo- derada. Lado a lado com os riscos, passaram a ser enume- rados os pontos favoráveis à instalação de novas centrais. Entre eles, a disponibilidade de combustível (urânio) e a bai- xa emissão de dióxido de carbono (CO 2 ) ou qualquer outro gás que contribua para o efeito estufa – o que transforma a energia nuclear em energia limpa. Além disso, investimen- tos em desenvolvimento tecnológico buscam aumentar a segurança das unidades, embora ainda não exista uma solu- ção definitiva para os rejeitos produzidos – o elemento mais perigoso do processo nuclear.

Finalmente, no âmbito da geopolítica internacional, países como a Rússia, após o final da Guerra Fria, comprometeram- se formalmente a desativar os artefatos bélicos e a utilizar o urânio decorrente dessa iniciativa na produção de ener- gia elétrica. Além disso, a Agência Internacional de Energia

200

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GW

2000 2005

395, 390, 361,2 (^) 360,1 357,

400,

414,

449,

498,

441,

411,

339,

296,

421,

450,

570,

394,

2010 2015 2020 2025 2030

Forte recuperação Tratado de Kyoto Referência Nuclear fraco

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O comportamento dos preços reflete a relação oferta/consumo, como demonstra o Gráfico 8.4 a seguir, referente ao yellowcake. Os preços subiram de maneira acentuada durante a fase de expan- são da construção de usinas nucleares, recuaram bruscamente

na década de 80 e se mantiveram em baixa durante quase 20 anos, para registrar ligeira recuperação após o ano 2000 – período em que se nota um aumento no número de unidades instala- das e de MWh (megawatts-hora) produzidos.

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US$ 2005 US$ Corrente

71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 91 93 95 97 99 01 03 05

US$ / lb U

O 3 8

Gráfico 8.4 Evolução histórica do preço 1 do óxido de urânio (U 3 O 8 ). 1 Preço da libra (453,59237 gramas) de óxido de urânio em dólares. Fonte: EPE, 2006.

Figura 8.1 Consumo de energia nuclear no mundo em 2007. Fonte: BP, 2008.

Consumo de energia nuclear 2007 (TWh) 2,4 a 13, 13,3 a 27, 27,1 a 100 100 a 850

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8.3 GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA NO BRASIL E NO MUNDO

A geração nuclear de energia elétrica vive um novo ciclo de expansão. Além de novas unidades em construção, aumenta o número de países que buscam aderir a essa tecnologia ou expandir o parque já instalado.

Em 2007, um total de 439 reatores nucleares, distribuídos por 31 países, estava em operação em todo o mundo, segundo da- dos da AIEA reproduzidos no trabalho Panorama da Energia Nuclear da Eletronuclear, empresa de economia mista subsi- diária da Eletrobrás e responsável pela construção de usinas e geração de energia nuclear no Brasil. Os Estados Unidos con- centravam o maior número de unidades (104), mas foi a França, com 59 reatores, que demonstrou maior dependência da pro- dução nuclear: 76,85% da energia total produzida, conforme mostram a Tabela 8.5 e o Gráfico 8.5 a seguir.

Projeções da AIEA indicam que os estoques de urânio resul- tante da conversão de armas atômicas devem acabar entre 2020 e 2030, o que poderá implicar em aumento dos preços. Outro fator de alta poderá ser a entrada em operação de no- vos geradores, com licenciamento em curso nos Estados Uni- dos, que expandirá o consumo.

A tendência, no entanto, poderá ser atenuada por outras va- riáveis, como a configuração do cenário de fraca recupera- ção da IEA (ver Tópico 8.1), a exploração de novas reservas ou o aumento da eficiência das usinas (produção de maior quantidade de energia com a mesma quantidade de com- bustível) proporcionada por investimentos em tecnologia realizados atualmente.

No Brasil, apenas a Indústrias Nucleares Brasileiras (INB) é au- torizada pelo Governo Federal a extrair e processar o urânio e demais minerais radioativos. A companhia é vinculada à Co- missão Nacional de Energia Nuclear (CNEN), uma autarquia federal subordinada ao Ministério da Ciência e Tecnologia e constituída para, em nome da União, exercer o monopólio da mineração de elementos radioativos e da produção e comércio de materiais nucleares.

A INB também domina a tecnologia dos três principais ciclos de processamento do átomo de urânio. No entanto, o enri- quecimento ainda é realizado em países como Holanda e Ale- manha. Ao chegar ao Brasil em contêineres, o urânio 235 é enviado à Fábrica de Combustível Nuclear (FCN), em Resen- de (RJ), e, em seguida, às usinas nucleares Angra I e Angra II, em Angra dos Reis (RJ). O projeto de expansão das linhas de enriquecimento de urânio da INB está em andamento e tem conclusão da primeira fase prevista para 2009. Nesse ano, a capacidade instalada da companhia deverá suprir 60% do combustível consumido em Angra I e II.

Gráfico 8.5 - Participação da energia nuclear na energia total produzida. Fonte: AIEA, 2008.

Tabela 8.5 - Os dez países com maior número de centrais nucleares e potência instalada em 2007 País Unidades MW 1 o^ Estados Unidos 104 100. 2 o^ França 59 63. 2 o^ Japão 55 47. 4 o^ Rússia 31 21. 5 o^ Alemanha 17 20. 6 o^ Coréia 20 17. 7 o^ Ucrânia 15 13. 8 o^ Canadá 18 12. 9 o^ Reino Unido 19 10. 10 o^ Suécia 10 9. 23 o^ Brasil 2 2. Total 439 372. Fonte: AIEA (Adaptado), 2008.

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Participação %

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França Lituânia Eslováquia Bélgica Ucrânia Suécia Armênia Eslovênia Suíça Hungria Coréia do Sul Japão

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Brasil

No Brasil, a expansão do parque nuclear faz parte do Plano Decenal de Expansão de Energia Elétrica (2006/2015). O país apresenta duas vantagens competitivas nesse segmento: as boas reservas do mineral e o domínio da tecnologia de enri- quecimento do urânio – que, no entanto, ainda não é aplicada em escala comercial.

A instalação de usinas nucleares em território nacional foi deci- dida no final da década de 60. Com elas, o Governo Federal pre- tendia adquirir conhecimento sobre a nova tecnologia que se expandia rapidamente pelo mundo e, ao mesmo tempo, resol- ver um problema localizado: a necessidade de complementação térmica para o suprimento de eletricidade ao Rio de Janeiro.

A construção de Angra I teve início em 1972, com tecnolo- gia da norte-americana Westinghouse adquirida em sistema turn key (sem transferência tecnológica). Três anos depois, em 1975, o país assinou com a República Federal da Alema- nha o Acordo de Cooperação para o Uso Pacífico da Energia Nuclear. Em julho do mesmo ano, adquiriu as usinas de An- gra II e Angra III da empresa Kraftwerk Union A.G. – KWU, subsidiária da Siemens, também alemã. O contrato previa transferência parcial de tecnologia.

Sala de controle - Central de operação. Fonte: Banco de imagens de Angra 2.

Angra I, com potência instalada de 657 MW, entrou em ope- ração comercial em 1985. Angra II, com potência instalada de 1.350 MW, em 2000. A construção de Angra III, também com 1.350 MW, por uma série de razões foi paralisada durante mui- tos anos. A construção foi inserida no Plano Decenal de Expan- são de Energia Elétrica (2006/2015) e, em julho de 2008, o Ins- tituto Brasileiro do Meio Ambiente e Recursos Naturais (Ibama) expediu licença prévia autorizando a retomada das obras. Em setembro de 2008, o o ministro de Minas e Energia, Edison Lo- bão, anunciou a intenção do governo de construir uma usina nuclear por ano ao longo dos próximos 50 anos, o que resulta- ria em uma capacidade instalada total de 60 mil MW.

A operação de Angra III está prevista para ter início em 2014. Com isto, a participação da capacidade nuclear instalada no Brasil deve passar de 1,98% (2,007 GW) para 2,5% (3,357 GW) da capacidade instalada total, considerando que esta última terá um crescimento anual de 4% passando de 103 GW (2008) para 130 GW em 2014.

Em 2007, Angra I e Angra II responderam por 2,5% da pro- dução total de energia elétrica no país, que foi de 12,3 tera- watts-hora (TWh).

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Central nuclear. Fonte: Eletronuclear.

8.4 IMPACTOS AMBIENTAIS E DESENVOLVIMENTO

TECNOLÓGICO

Das formas de produção de eletricidade, a usina nuclear é uma das menos agressivas ao meio ambiente. Ainda assim, a possi- bilidade de a unidade provocar grande impacto socioambien- tal é um dos aspectos mais controversos de sua construção e operação. Isto porque toda a cadeia produtiva do urânio – da extração à destinação dos dejetos derivados da operação da usina – é permeada pela radioatividade.

Durante a fase de extração e processamento do minério e de operação da usina, os níveis de radioatividade são permanen- temente monitorados e controlados, de forma a não superar os limites previstos pelos órgãos reguladores. No entanto, ainda não se conseguiu encontrar uma solução definitiva para os de- jetos radioativos que, lado a lado com o risco de acidentes nas usinas, se constituem nos elementos mais perigosos do pro- cesso de produção da energia nuclear.

Estes dejetos são classificados de baixa, média e alta atividade. Para os dois primeiros, há o processamento e armazenagem. Segundo o Plano Nacional de Energia 2030, no Brasil os dejetos de alta atividade ficam, temporariamente, estocados em piscinas de resfriamento cheias de água. Depois, parte deles é misturada

a outros materiais e solidificada, resultando em barras de vidro, também classificadas como de alta radioatividade. A vitrificação facilita o transporte e a estocagem, mas apenas diminui – não extingue – os impactos potenciais sobre o meio ambiente.

Alternativas para depósito desses dejetos estão em estudo no exterior. Uma das mais aceitas, atualmente, é o armazenamen- to em uma estrutura geológica estável. Os Estados Unidos têm um projeto pioneiro nesta opção. Além disso, ganha espaço no mercado mundial a preferência pela adoção do ciclo aber- to do urânio em detrimento do fechado que, ao reprocessar o material, produz novos dejetos radioativos. Finalmente, a evolução tecnológica das máquinas também aponta para a redução no volume de dejetos de alta atividade produzido: seja porque embutem ganhos de eficiência (exigindo menor volume de combustível para a produção da mesma qualidade de energia), seja porque conseguem reduzir o tempo de de- caimento (redução da radioatividade) dos dejetos.

Outra alternativa é um projeto inédito de armazenamento desses dejetos em cápsulas de aço, sugestão apresentada pela Eletronuclear quando obteve a licença prévia para a retomada